[论文解读] Diffraction, Saturation and pp Cross Sections at the LHC

K. Goulianos|arXiv (Cornell University)|May 25, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于饱和与幺正性约束的唯象模型，用于预测大型强子对撞机（LHC）上质子-质子的总截面和非弹性截面。利用实验确定参数 $s_F = 22$ GeV 和 $s_o$ 的饱和 Froissart 界，该模型在 $√s = 7$ TeV 时预测 $σ_{σι} = 71 ± 6$ mb，与 ATLAS 和 CMS 的测量结果高度一致，为 LHC 上的双色过程提供了稳健的模拟框架。

ABSTRACT

Results from the large hadron collider (LHC) show that no available Monte Carlo simulation incorporates our pre-LHC knowledge of soft and hard diffraction in a way that could be reliably extrapolated to LHC energies. As a simulation is needed to establish triggers, perform underlying event corrections and calculate acceptances, the lack of a robust simulation affects all measurements at the LHC. Particularly affected are the measurements of processes with large diffractive rapidity gaps, which constitute about one quarter of the inelastic cross section. In this paper, a previously described phenomenological model based on a saturation effect observed in single diffraction dissociation in pre-LHC data, validated by its successful application to several diffractive processes, is used to predict the total and total-inelastic proton-proton cross sections at the LHC. The prediction for the total-inelastic cross section at a center of mass collision energy of 7 TeV is compared with recent results from ATLAS and CMS.

研究动机与目标

• 为解决 LHC 上双色过程缺乏可靠蒙特卡洛模拟的问题，该问题影响触发设置、本底事件修正和探测器接受度计算。
• 提供一个基于唯象学的幺正化模型，整合了预 LHC 单双色散数据中观测到的饱和效应。
• 利用实验确定的参数，基于饱和的 Froissart 界，预测 LHC 能量下的总截面和非弹性 $pp$ 截面。
• 通过与新兴的 LHC 数据对比，特别是 ATLAS 和 CMS 在 $√s = 7$ TeV 时的 $σ_{σι}$ 测量结果，验证该模型。

提出的方法

• 该模型采用饱和 Froissart 界，形式为 $σ_t \sim \ln^2(s/s_F)$，其中 $s_F = 22$ GeV 为从预 LHC 数据中确定的饱和尺度。
• 系数 $C = \pi / s_o$ 由 pion 质量标度导出，$s_o$ 通过实验拟合单双色散数据确定。
• 总截面通过公式 $\sigma_t^{\text{LHC}} = \sigma_t^{\text{CDF}} + \frac{\pi}{s_o} \left[ \left(\ln \frac{s^{\text{LHC}}}{s_F} \right)^2 - \left(\ln \frac{s^{\text{CDF}}}{s_F} \right)^2 \right]$ 计算。
• 弹性与非弹性截面通过全局拟合现有数据得到的比值 $R_{\text{el/t}} = \sigma_{\text{el}} / \sigma_t$ 推导得出。
• 该模型通过直接将饱和效应嵌入振幅结构，避免了对 Regge 理论或复杂幺正化方案的依赖。
• 通过将预测结果与 ATLAS 和 CMS 在 $√s = 7$ TeV 时的 $σ_{σι}$ 测量结果对比，对模型进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于饱和的唯象模型是否能够在不依赖标准蒙特卡洛模拟的前提下，可靠预测 LHC 能量下的总截面和非弹性 $pp$ 截面？
• RQ2 与基于 Regge 的模型相比，引入具有 $s_F = 22$ GeV 的饱和 Froissart 界在描述双色过程方面有何改进？
• RQ3 该模型在 $√s = 7$ TeV 时对 $σ_{σι}$ 的预测与 ATLAS 和 CMS 测量结果的一致程度如何？
• RQ4 幺正性和饱和性对高能下 $\sigma_t$、$\sigma_{\text{el}}$ 和 $\sigma_{\text{inel}}$ 的 $s$-依赖性有何影响？

主要发现

• 该模型在 $√s = 7$ TeV 时预测 $σ_{σι} = 71 \pm 6$ mb，与 ATLAS 的结果 $69.4 \pm 2.4$ (实验) $\pm 6.9$ (外推) mb 一致。
• 在 $√s = 8$ TeV 时，$σ_{σι}$ 的预测为 $72 \pm 6$ mb；在 $√s = 14$ TeV 时为 $76 \pm 8$ mb。
• 在 $√s = 14$ TeV 时，总截面预测值为 $109 \pm 12$ mb，处于其他理论预测的范围内。
• 该模型在 7 TeV 时对 $σ_{σι}$ 的预测与 CMS 的结果 $66.8 \leq \sigma_{\text{t}}^{\text{inel}} \leq 74.8$ mb 良好一致。
• 该模型在 $√s = 14$ TeV 时对 $\sigma_t$ 的预测与全局拟合值 $114 \pm 5$ mb 一致。
• 该模型成功整合了饱和效应和幺正性约束，且仅需两个实验确定的参数 $s_F = 22$ GeV 和 $s_o$，无需额外调参。